Il mio lavoro di ricerca ha avuto l’obiettivo di studiare le proprietà principali dell’interazione tra materiale biologico e superfici inorganiche. Per tale scopo è stato utilizzato uno approccio basato sulla teoria del funzionale densità (DFT), lo studio è stato svolto nell’ambito del calcolo ad alte prestazioni utilizzando un approccio quanto-meccanico da principi primi, in modo da poter descrivere al meglio le interazioni chimico-fisiche a livello molecolare e sub-molecolare. Il tutto è stato applicato in dispositivi di ultima generazione per sequenziamento di catene biologiche, basate sulla tecnologia a nano-poro; in questi sensori nano-strutturati vi è un analisi detta a singola-molecola, il tipo e i modi d’interazioni tra dispositivo e target d’analizzare sono fondamentali e determinano la variazione del nostro segnale in uscita. Il funzionamento è relativamente semplice: si applica agli estremi della superfice con il poro una differenza di potenziale, e si misura la variazione della corrente quando il foro è occupato; le dimensioni del poro fanno si che si possa analizzare una molecola alla volta. Il materiale scelto per la realizzazione di questi dispositivi è stato il grafene per le sue proprietà elettroniche e la sua geometria; le catene biologiche scelte sono sequenze di amminoacidi; questa scelta si basa sulla possibile evoluzione di questi dispositivi, finora utilizzati per il sequenziamento di DNA (commercializzato dalla Oxford Nanopores Technologies), e sull’importanza dell’identificazione della sequenza e della struttura delle proteine, visto la connessione a patologie neurodegenerative come Parkinson e Alzheimer. Più in dettaglio il mio lavoro di ricerca è partito da studi precedenti dove venivano analizzate filamenti di DNA con la traslazione di basi nucleiche in nano-pori biologici per il sequenziamento; si sono studiati i cambiamenti caratteristici di corrente quando il target si avvicina alla superficie o attraversava il poro in modo da ottenere un'analisi rapida a singola-molecola. Si è provato, così, ad applicare lo stesso principio su sequenze di peptidi, per la loro importanza a livello medico-scientifico, con nanostrutture allo stato solido, visti i vantaggi di quest'ultimi rispetto a quelli biologici (miglior rapporto segnale rumore e una vita media più lunga). Sono state effettuate simulazioni Ab-Initio per caratterizzare sia le proprietà elettroniche superficiali, osservando la densità degli stati (DOS), e sia l'effetto quantistico del tunneling degli elettroni al variare della molecola interagente con la superficie. Per fare ciò si è studiata la corrente elettronica trasversale al piano del poro, su un ribbon di grafene, correlando le variazioni della nube elettronica con la molecola target. Per raggiungere questi obiettivi abbiamo: • definito modelli atomistici di interazione tra amminoacidi e bordi di un nano-poro di grafene; • utilizzato simulazioni atomistiche/molecolari per ottimizzare la morfologia (grandezza) e struttura (forma) più adeguata del poro; • studiato il funzionamento elettronico del nano-poro in fase di traslocazione degli amminoacidi attraverso esso. In particolare ci si è concentrati sul calcolo della conduttività trasversale attraverso la metodologia della Non-Equilibrium Green Function (NEGF) e l'approccio Landauer-Buttiker La ricerca è stata articolata in due fasi: I Fase: Design del nano-poro di grafene Nonostante diversi nano-pori siano già studiati con tecniche sperimentali, l’approccio teorico-modellistico basato su simulazioni molecolari atomistiche della struttura del nano-poro ha reso possibile avere una rigorosa caratterizzazione fisica e chimica del sistema; questa caratterizzazione è diventata la base per il successivo processo di ottimizzazione del dispositivo (passando da un nano-poro a un nano-gap). Dal punto di vista teorico-computazionale, si è confrontato il comportamento, strutturale del passaggio all’interno del sensore di diversi amminoacidi e si è progettato un nano-gap adatto alla valutazione degli effetti di traslocazione. II Fase: Caratterizzazione del segnale Si è studiata la variazione del “segnale” ottenuto, per caratterizzarlo al meglio e abbassare il rapporto segnale rumore. Attraverso varie analisi di post-processing si è andata a vedere la corrente elettronica elastica ed anelastica e si è aggiunta l’analisi della corrente ionica con simulazioni di dinamica molecolare classica.

Protein sequencing strategy in nanotechnology by classical and quantum atomistic models / Rossini, ALDO EUGENIO. - (2019 Feb 04).

Protein sequencing strategy in nanotechnology by classical and quantum atomistic models

ROSSINI, ALDO EUGENIO
2019

Abstract

Il mio lavoro di ricerca ha avuto l’obiettivo di studiare le proprietà principali dell’interazione tra materiale biologico e superfici inorganiche. Per tale scopo è stato utilizzato uno approccio basato sulla teoria del funzionale densità (DFT), lo studio è stato svolto nell’ambito del calcolo ad alte prestazioni utilizzando un approccio quanto-meccanico da principi primi, in modo da poter descrivere al meglio le interazioni chimico-fisiche a livello molecolare e sub-molecolare. Il tutto è stato applicato in dispositivi di ultima generazione per sequenziamento di catene biologiche, basate sulla tecnologia a nano-poro; in questi sensori nano-strutturati vi è un analisi detta a singola-molecola, il tipo e i modi d’interazioni tra dispositivo e target d’analizzare sono fondamentali e determinano la variazione del nostro segnale in uscita. Il funzionamento è relativamente semplice: si applica agli estremi della superfice con il poro una differenza di potenziale, e si misura la variazione della corrente quando il foro è occupato; le dimensioni del poro fanno si che si possa analizzare una molecola alla volta. Il materiale scelto per la realizzazione di questi dispositivi è stato il grafene per le sue proprietà elettroniche e la sua geometria; le catene biologiche scelte sono sequenze di amminoacidi; questa scelta si basa sulla possibile evoluzione di questi dispositivi, finora utilizzati per il sequenziamento di DNA (commercializzato dalla Oxford Nanopores Technologies), e sull’importanza dell’identificazione della sequenza e della struttura delle proteine, visto la connessione a patologie neurodegenerative come Parkinson e Alzheimer. Più in dettaglio il mio lavoro di ricerca è partito da studi precedenti dove venivano analizzate filamenti di DNA con la traslazione di basi nucleiche in nano-pori biologici per il sequenziamento; si sono studiati i cambiamenti caratteristici di corrente quando il target si avvicina alla superficie o attraversava il poro in modo da ottenere un'analisi rapida a singola-molecola. Si è provato, così, ad applicare lo stesso principio su sequenze di peptidi, per la loro importanza a livello medico-scientifico, con nanostrutture allo stato solido, visti i vantaggi di quest'ultimi rispetto a quelli biologici (miglior rapporto segnale rumore e una vita media più lunga). Sono state effettuate simulazioni Ab-Initio per caratterizzare sia le proprietà elettroniche superficiali, osservando la densità degli stati (DOS), e sia l'effetto quantistico del tunneling degli elettroni al variare della molecola interagente con la superficie. Per fare ciò si è studiata la corrente elettronica trasversale al piano del poro, su un ribbon di grafene, correlando le variazioni della nube elettronica con la molecola target. Per raggiungere questi obiettivi abbiamo: • definito modelli atomistici di interazione tra amminoacidi e bordi di un nano-poro di grafene; • utilizzato simulazioni atomistiche/molecolari per ottimizzare la morfologia (grandezza) e struttura (forma) più adeguata del poro; • studiato il funzionamento elettronico del nano-poro in fase di traslocazione degli amminoacidi attraverso esso. In particolare ci si è concentrati sul calcolo della conduttività trasversale attraverso la metodologia della Non-Equilibrium Green Function (NEGF) e l'approccio Landauer-Buttiker La ricerca è stata articolata in due fasi: I Fase: Design del nano-poro di grafene Nonostante diversi nano-pori siano già studiati con tecniche sperimentali, l’approccio teorico-modellistico basato su simulazioni molecolari atomistiche della struttura del nano-poro ha reso possibile avere una rigorosa caratterizzazione fisica e chimica del sistema; questa caratterizzazione è diventata la base per il successivo processo di ottimizzazione del dispositivo (passando da un nano-poro a un nano-gap). Dal punto di vista teorico-computazionale, si è confrontato il comportamento, strutturale del passaggio all’interno del sensore di diversi amminoacidi e si è progettato un nano-gap adatto alla valutazione degli effetti di traslocazione. II Fase: Caratterizzazione del segnale Si è studiata la variazione del “segnale” ottenuto, per caratterizzarlo al meglio e abbassare il rapporto segnale rumore. Attraverso varie analisi di post-processing si è andata a vedere la corrente elettronica elastica ed anelastica e si è aggiunta l’analisi della corrente ionica con simulazioni di dinamica molecolare classica.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/11573/1247684
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